fifth chapter to predict the direction of the development of MXene materials.

Key words : MXene ; Two-dimensional crystals ; Graphene-like

III

目 录

引言 ............................................................................................................. 1 第1章 MXene的制备 ............................................................................. 3

1.1 MXene制备的研究历程 ..................................................................................... 3 1.2 Mxene的制备 ...................................................................................................... 4

第2章 MXene的结构和性能 ................................................................. 9

2.1 MXene的结构 ..................................................................................................... 9 2.2 插层和分层 ....................................................................................................... 10 2.3 MXene的电学、磁学、热电、力学和光学性能 ........................................... 10

第3章 MXene的应用 ........................................................................... 13

3.1 MXene在电极材料领域的应用 ....................................................................... 13 3.2 MXene在催化领域的应用 ............................................................................... 14 3.3 MXene的吸附性能 ........................................................................................... 14 3.4 MXene 在储氢领域的应用 .............................................................................. 14 3.5 MXene 在复合材料领域的应用 ...................................................................... 15

第4章 结束语......................................................................................... 16 参考文献 ................................................................................................. 16 致 谢 ....................................................................................................... 16

引言

20世纪60年代，Nowotny等人错误！未找到引用源。首先提出了三元过渡族金属碳化物或者氮化物的概念，当时这些化合物被称之为“Hagg相”。此后，人们又相继发现了一些具有类似结构的化合物，如Ti3SiC2错误！未找到引用源。、Ti3GeC2错误！未找到引用源。以及Ti3AlC2错误！未找到引用源。等，但当时这类化合物并未引起人们的足够重视。2000年，Barsoum错误！未找到引用源。发表了一篇关于这类材料的综述性文章，并将这类材料统称为“Mn+1AXn相”(简称MAX相），其中M为过渡族金属元素，A为主族元素，X为C或者N。M、A、X在元素周期表中的位置如图1.1所示。

图1.1Mn+1AXn相形成元素在元素周期表中的位置错误！未找到引用源。

MAX相属于六方晶系，空间群为P63/mmc，其晶体结构可以描述为由具有类似岩盐型结构的Mn+1AXn片层与紧密堆积的A族原子面在c方向上交替堆垛所组成。根据通式中n值的不同(即MX片层厚度的不同），MAX相可以分为M2AX相（也称为211相）、M3AX2相（也称为312相）以及M4AX3相（也称为413相）等。换言之，M2AX相的晶体结构是由两个MX片层与紧密堆积的A族原子面在c方向上交替堆垛所组成，以此类推。图1.2给出了几种常见的MAX相的晶体结构。

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图1.2典型Mn+1AXn相的晶体结构错误！未找到引用源。

最近，具有单个或几个原子厚度的二维晶体引起了广泛的关注。目前为止最典型的是石墨烯，也引起了广泛的关注。石墨烯是最典型的二维晶体，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的具有二维蜂窝状晶体结构的单原子层晶体，具有优异的力学、电子、热及磁学性能，被视为当今在纳米技术领域非常有前途的材料。但是，石墨烯并不是二维原子晶体材料的尽头，自从Novoselov, Geim等人发现了石墨烯杰出的电子性能后，一些具有特殊性能包含其它元素的二维晶体成为现在的研究焦点。

二维晶体材料可分为石墨烯基材料和类石墨烯材料两大类。石墨烯基材料是指包括石墨烯在内的官能团化的石墨烯材料，例如氟化石墨烯、氧化石墨烯。类石墨烯材料则是指具有石墨烯结构，包含其他元素的二维原子晶体或化合物，例如单原子层的六方BN、MoS2、WS2等。

继石墨烯后一种叫做MXene的过渡金属碳化物和氮化物的二维材料引起了广泛的关注。MXene是从MAX相中剥离A层电子得到的一种新型二维晶体，具有与石墨烯类似的结构。其化学式为Mn+1Xn（n=1、2、3），M为早期过渡金属元素，X为碳或氮元素，是P63/mmc六方对称结构，M层几乎是封闭的MXene的母体材料MAX相是一类化学式为Mn+1AXn的三元层状化合物，其中A为主族元素。目前已知MAX相大约有60多种，Ti3AlC2、TiAlC2是其代表性化合物。考虑到Max相可以通过（Ti0.5,Nb0.5）2AlC，Ti3（Al0.5,Si0.5）C2等这样的物质合成，在类似于Ti2Al（C0.5,N0.5）这样结构的材料中剥离，它涉及到的数范围还是很大的。如今的MXene族系包括Ti3C2,Ti2C、Nb2C、V2C、（Ti0.5,Nb0.5）2C、（V0.5,Cr0.5）3C2、Ti3CN,和Ta4C3。由于Mn+1AXn中的n值可以从1变化到3，相应的单个的Mxene板片包括3、5或7个原子层。无论哪种情况，单个的MXene层的厚度不超过1 nm，而其侧向尺寸可达到几十微米。

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